豫西南土坎水平梯田田坎穩(wěn)定性分析

楊 柳, 郝仕龍， 范云鵬

(1.南陽市水土保持監(jiān)督監(jiān)測站, 河南 南陽 473000; 2.華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450045;3.南陽師范學(xué)院 南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 南陽 473061； 4.南陽市水利局， 河南 南陽 473068)

河南省是我國第一糧食生產(chǎn)大省，2010年底，耕地面積為720.22萬hm2[1-3]，其中坡耕地面積為78.96萬hm2，坡改梯是我國開發(fā)利用坡地、發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種傳統(tǒng)方式[4-6]，也是我國坡耕地治理的一項(xiàng)重要工程措施[7-10]，對水土保持與糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)方面發(fā)揮巨大的生態(tài)效益和社會(huì)效益[11-16]，建設(shè)至今，水平梯田已成為山地丘陵區(qū)面廣量大的基本農(nóng)田，是水土保持、坡面、田間工程措施的主要組成部分[17-21]。梯田設(shè)計(jì)要求開挖土方工程量小、省工、土地利用率高、田坎穩(wěn)定等。能最大限度滿足這些要求的梯田斷面，設(shè)計(jì)上稱為最優(yōu)斷面[22]。

梯田的設(shè)計(jì)保證了梯田功能的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行，傳統(tǒng)上由于工程的實(shí)施者為廣大的農(nóng)民群眾，大多憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，存在隨意性，因此修筑的梯田規(guī)格、質(zhì)量不一，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的促進(jìn)大打折扣[23]。近年來，學(xué)者針對梯田設(shè)計(jì)和修筑的問題，從各學(xué)科和技術(shù)方面闡述梯田設(shè)計(jì)思路與優(yōu)化方案，取得了一定的成果，但在優(yōu)化方案上，沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。究其原因，不同區(qū)域客觀條件和需要存在較大差異，從而造成梯田優(yōu)化設(shè)計(jì)上的混亂和爭論。梯田田坎必須保持穩(wěn)定，是梯田設(shè)計(jì)中最基本的要求，影響田坎穩(wěn)定性的主要因素有田坎高度、外側(cè)坡度、土壤密實(shí)程度、土壤的內(nèi)摩擦角、黏聚力、修筑方法和施工質(zhì)量等[23]。一般田坎低，側(cè)坡緩，施工質(zhì)量高，田坎穩(wěn)定。反之，不利于穩(wěn)定。但如果梯田修得過緩，使耕地凈面積減少，降低土地的利用率，打消農(nóng)戶坡改梯的積極性，豫西南區(qū)域自然條件差異大，坡改梯優(yōu)化方案也存在著較大的差異，長期以來，由于缺乏科學(xué)依據(jù)，坡改梯工程經(jīng)驗(yàn)性、隨意性較強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，本文從豫西南區(qū)域自然條件出發(fā)，在科學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析豫西南坡改梯不同土壤類型及不同設(shè)計(jì)方案條件下的田坎穩(wěn)定性，為該區(qū)域坡改梯工程方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

項(xiàng)目研究區(qū)位于黃河以南，大別山、桐柏山以北，鄭州、許昌西部，地理位置為110°20′—116°00′E，31°20′—35°10′N。包含豫西及豫南各市縣區(qū)，其中豫西主要包括洛陽市、平頂山市、山門峽市及鄭州市部分縣區(qū)，豫南主要包括許昌市、南陽市、駐馬店市及信陽市各縣區(qū)，研究區(qū)國土總面積為9.66萬km2，占全省國土總面積16.55萬km2的58.39%。，豫西南坡耕地總面積為68.88萬hm2，占全省坡耕地總面積的87.23%。梯田面積為25.02萬hm2。僅占全省耕地面積的3.5%，研究區(qū)域各縣區(qū)的地理位置及空間分布如下圖(圖1)。地形有包括山地、丘陵、崗地、盆地，海拔23.2～2 414 m，降雨量516～1 370 mm，土壤的地帶性主要包括暖溫帶落葉闊葉林干旱森林草原棕壤褐土地帶和北亞熱帶含常綠闊葉樹種的落葉闊葉林黃棕壤地帶，根據(jù)河南省土壤分類系統(tǒng)[24]，豫西南山地丘陵區(qū)土壤分布區(qū)土類主要有褐土、棕壤及黃棕壤三大土類，其中褐土類主要包括褐土、白面土、紅黏土、立黃土及油黃土5個(gè)土壤亞類，棕壤土類包括棕壤和棕黃土2個(gè)土壤亞類，黃棕壤土類包括黃棕壤、黃禢土和黃剛土3個(gè)土壤亞類。從土壤亞類的角度，豫西南坡耕地分布區(qū)土壤類型主要包括豫西丘陵立黃土、白面土及紅黏土亞類、豫西伏北山地棕壤亞類、豫西伏北低山丘陵褐土亞類、伏牛山南部山地丘陵黃剛土亞類及豫南大別山桐柏山山地丘陵黃棕壤亞類(圖2)。

圖1 研究區(qū)域

圖2 豫西南土壤類型分布

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣分別為立黃土、棕壤土、褐土、黃剛土及黃棕壤，取土?xí)r間為2013年5月，土樣分別采自河南省陜縣、嵩縣、新密市、南召縣和商城縣。土樣取樣為各土壤類型區(qū)坡耕地分布區(qū)域，取土深度為1 m，土量為30 kg。對試樣進(jìn)行基本的物性試驗(yàn)，所得的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，施工過程中土壤含水率以12%～16%為宜[22-23]。

表1 土壤試樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法

(1) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)。按試驗(yàn)要求分別制取五個(gè)區(qū)域土壤重塑樣各一個(gè)，各進(jìn)行一組固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。分別在100 kPa，200 kPa，300 kPa圍壓下進(jìn)行。本次試驗(yàn)采用北京華勘有限責(zé)任公司KTG全自動(dòng)三軸儀，參照《巖土工程勘察規(guī)范(GB50021—2001(2009年版))》和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50266—99)》的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)和結(jié)果與分析。

(2) 邊坡穩(wěn)定性分析。理正系列軟件為一款常用的國產(chǎn)土木工程輔助設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，本項(xiàng)目采用的是理正巖土中的邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)。該軟件采用瑞典條分法、簡化Bishop法、JanBu法進(jìn)行圓弧破裂面穩(wěn)定計(jì)算，自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，并輸出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定系數(shù)彩色云圖等參數(shù)。該軟件在邊坡穩(wěn)定性分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)果與分析

3.1 土樣應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)束后，利用計(jì)算機(jī)內(nèi)自帶試驗(yàn)處理軟件，將所得結(jié)果進(jìn)行處理分析，得到總應(yīng)力、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)ccu，φcu和有效應(yīng)力、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′，φ′。試驗(yàn)結(jié)果匯總(表2)。分兩種工況，第一種工況為日常工況條件下，在該工況條件下，土體含水量適中，土體在自重條件下固結(jié)已經(jīng)完成，對應(yīng)試樣的有效應(yīng)力指標(biāo)。暴雨工況條件下，此種工況條件下，土體含水量急劇增加達(dá)到飽和，土體沒有充分的時(shí)間排水固結(jié)，對應(yīng)試樣的總粘聚力和總內(nèi)摩擦角。兩種工況都采用固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度來計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。表2為各土壤試樣在兩種工況條件下的粘聚力、內(nèi)摩擦角取值。

表2 土壤試樣三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)不同土壤試樣三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果，暴雨工況條件下，立黃土的土壤黏聚力要強(qiáng)于其他土壤類型，土壤內(nèi)摩擦角也大于其他土壤類型，其次是黃剛土，棕壤、褐土和黃棕壤土壤黏聚力大小一致，內(nèi)摩擦角褐土要稍大于棕壤和黃棕壤。日常工況條件下，立黃土也同樣具有較好的黏聚力，其次是褐土和黃剛土，棕壤的土壤黏聚力相對要差，土壤的內(nèi)摩擦角相差不大，最大為立黃土，其土壤的內(nèi)摩擦角為16.2°，最小為黃棕壤，其土壤的內(nèi)摩擦角為14.1°。日常工況條件下，各土壤試樣土壤黏聚力要強(qiáng)于暴雨工況條件下土壤黏聚力，土壤內(nèi)摩擦角也大于暴雨工況條件下內(nèi)摩擦角，其中土壤黏聚力在不同工況條件下其強(qiáng)度相差尤為顯著，立黃土的土壤黏聚力在日常工況條件下為25 kPa，而在暴雨工況條件下其黏聚力下降至11 kPa，因此，立黃土在日常工況條件下的土壤黏聚力是暴雨工況條件下的2.27倍，而褐土的土壤黏聚力相差最為明顯，日常工況條件下的土壤黏聚力是暴雨工況條件下的3.29倍。

3.2 土坎梯田邊坡穩(wěn)定性分析

采用理正軟件對土坎梯田進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。暴雨條件下，雨水入滲使得土體的飽和度更高，總壓力增大，強(qiáng)度降低，同時(shí)土體的排水條件較差，此時(shí)土坎梯田邊坡穩(wěn)定性差，容易發(fā)生滑坡，因此本文采用固結(jié)不排水剪總應(yīng)力指標(biāo)，這將獲得土坎邊坡穩(wěn)定性更高的設(shè)計(jì)參數(shù)[25-28]。取土坎的穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.3[29-30]。其中的田坎高度定為1 m，1.5 m，2 m，2.5 m四種樣式，外側(cè)坡角設(shè)為60°，65°，70°，75°四種樣式，分別進(jìn)行土坎梯田的穩(wěn)定性分析，得到的結(jié)果見表3—7。

表3 立黃土土坎梯田穩(wěn)定安全系數(shù)

表4 黃剛土土坎梯田穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)立黃土土坎梯田的穩(wěn)定性分析結(jié)果(表3)，立黃土土坎梯田的穩(wěn)定性較好，當(dāng)田坎高度為2.5 m時(shí)，梯田地面最大坡角可設(shè)為75°，此時(shí)土坎梯田穩(wěn)定性相對較好，F(xiàn)s=1.473，滿足土坎梯田穩(wěn)定性要求。根據(jù)黃剛土土坎梯田的穩(wěn)定性分析結(jié)果(表4)，當(dāng)田坎高度為2 m時(shí)，梯田地面最大坡角可設(shè)為75°，此時(shí)土坎梯田穩(wěn)定性較好，當(dāng)田坎高度達(dá)2.5 m時(shí)，梯田地面最大坡角不宜超過60°。

表5 棕壤土坎穩(wěn)定安全系數(shù)

表6 褐土土坎穩(wěn)定安全系數(shù)

表7 黃棕壤土坎穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)棕壤、褐土和黃棕土壤土土坎梯田的穩(wěn)定性分析結(jié)果(表5—7)，當(dāng)田坎高度小于等于1.5 m時(shí)，土坎梯田地面坡角為75°時(shí)，土坎梯田邊坡穩(wěn)定性較好，當(dāng)田坎高度達(dá)2 m時(shí)，土坎坡角不宜超過65°，當(dāng)田坎高度超過2.5 m時(shí)，四種設(shè)定土坎坡角均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。說明棕壤、褐土和黃棕土壤土土坎梯田的穩(wěn)定性較類似。

試驗(yàn)結(jié)果表明，立黃土土坎梯田邊坡穩(wěn)定性最好，在各種梯田斷面設(shè)計(jì)條件下，其土坎邊坡都具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，其次是黃剛土，當(dāng)土坎梯田高度為2.5 m時(shí)，梯田地面最大邊坡角不宜超過60°。當(dāng)土坎梯田高度小于2.5 m時(shí)，在梯田各種坡角條件下，其土坎邊坡穩(wěn)定性較好，棕壤、褐土和黃棕土壤土土坎梯田具有類似的穩(wěn)定性特征，當(dāng)田坎高度達(dá)2 m時(shí)，土坎邊坡角不宜超過65°。從分布區(qū)域來看，立黃土主要分布在豫西北三門峽、洛陽(偃師縣、宜陽縣及孟津縣)及鄭州西郊(滎陽、登封市和鞏義市)，由緩崗過渡到殘塬階地而止于丘陵與紅黏土帶相連，黃剛土主要分布在大別山北坡與淮河干流之間，西部在伏牛山南坡與南陽盆地交接處的丘陵地區(qū)。棕壤主要分布在太行山區(qū)、伏牛山北坡以及伏牛山南坡較高山地，就行政區(qū)劃而言，主要分布在盧氏、欒川、靈寶、嵩縣、魯山、洛寧、汝陽、登封、南召、西峽、內(nèi)鄉(xiāng)縣較高山地，褐土主要分布于伏牛山北坡與太行山地淺山丘陵地區(qū)，黃棕壤主要分布范圍大體上在大別、桐柏地丘陵壟崗地區(qū)，呈一狹長地帶分布，就行政區(qū)劃而言，主要分布在駐馬店地區(qū)的泌陽、確山、南陽地區(qū)的淅川、西峽、內(nèi)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)平、南召、方城、桐柏、唐河等縣及信陽地區(qū)的信陽、羅山、潢川、光山、新縣、商城、固始等縣大部分地區(qū)。

4 結(jié) 論

(1) 日常工況下，各參試土樣中，在土壤的黏聚力方面，立黃土的黏聚力最強(qiáng)，達(dá)到25 kPa，褐土、黃剛土、黃棕壤及棕壤的黏聚力強(qiáng)度依次下降，棕壤的黏聚力強(qiáng)度為13 kPa，在土壤的內(nèi)摩擦角方面，立黃土的內(nèi)摩擦角最大，達(dá)到16.2°，棕壤、黃剛土、褐土及黃棕壤的內(nèi)摩擦角依次下降，其中黃棕壤的內(nèi)摩擦角為14.1°。在暴雨工況下，各參試土樣的黏聚力強(qiáng)度有較大的降低，在這種工況條件下，立黃土的黏聚力也最強(qiáng)，達(dá)到11 kPa，其次是黃剛土為8 kPa，棕壤、褐土及黃棕壤的黏聚力一致，為7 kPa，各參試土樣的內(nèi)摩擦角與日常工況條件總體相差不大。

(2) 在暴雨工況下，采用固結(jié)不排水總應(yīng)力指標(biāo)，分析基于不同田坎高度及邊坡角度的水平梯田穩(wěn)定性，可以為土坎水平梯田安全運(yùn)行提供可靠保證，試驗(yàn)表明在相同工況下，梯田邊坡角度越大，田坎越高，土坎的穩(wěn)定安全系數(shù)越小。5種參試土樣中，在相同的土坎梯田設(shè)計(jì)樣式中，立黃土土坎梯田邊坡穩(wěn)定性最高，其次是黃剛土，棕壤、褐土，黃棕土壤土坎梯田邊坡穩(wěn)定性相對較低，這說明在上述相同條件下，立黃土抗剪強(qiáng)度最大，黃剛土次之，棕壤、褐土，黃棕壤的抗剪強(qiáng)度相對較弱。

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